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• Richard Steven Santisteban

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Albany International – Panel Tisú

Ingeniería de vacío Representaciones y Procesos Industriales, S. C. nash_elmo, llc.

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Que es el Vacío?

• Una Fuerza. • Una Diferencial de Presión. • Una Presión inferior a la atmosférica. • Una Presión negativa

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¿Qué debemos saber para entender el vacío? 

El término “vacío” no existe, se trata de una “diferencial de presión”.



La bomba de vacío no “hace” vacío, succiona aire comprimiéndolo.



El equipo de succión no puede “corregir” los errores de ingeniería y diseño.



El equipo de succión requiere cuidados y mantenimiento.

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3

Para que sirve el Vacío?

El Vacío se utiliza para ayudar en la separación del agua de la mezcla fibra-agua que se alimenta a la máquina de papel.

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Como se Separa el Agua? 0.5%

99.7 % Agua 0.3 % Fibra

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0.3 a 22 % Cs Sección de Formación de la M.P.

22 a 40 % Cs Sección de Prensado de la M.P.

98%

1.5%

40 a 95 % Cs Sección de Secado de la M.P.

5 % Agua 95 % Fibra

5

Que es un Sistema de Vacío?

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Como Opera el Vacío? Existen dos efectos o procesos relacionados con el “Vacío” Mecánico - Exprimido del agua por la reducción del volumen del medio (hoja, fieltro) - Zona húmeda.

Termodinámico - Captura de agua mediante la saturación del aire a su paso por el medio (hoja, fieltro) - Zona Seca

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¿Problemas de vacío? 

Definir los “problemas” de vacío Problemas mecánicos.  Problemas termodinámicos.  Problemas con equipo de vacío.  Problemas con tuberías.  Problemas de humedad.  Problemas de formación.  Problemas de mantenimiento.  Problemas de ingeniería y diseño. 

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¿Cómo encontrar las causas?



Se requiere un estudio completo de la máquina de papel para entender el porqué de un problema de vacío.

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Diferencial de presión vs. presión absoluta Ambas se complementan

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

Medición Manométrica (Vacío)



Medición Absoluta (Presión) 10

Presión Atmosférica 

Conforme subimos sobre el nivel del mar disminuye la presión atmosférica. El aire se torna enrarecido, mismo volumen pero con menor contenido de moléculas.



¿Qué pasa entonces con la diferencial de presión?

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Diferencia en la altitud sobre el nivel del mar 

Para reducir la presión a 250 mm Hg …



Al nivel del mar tenemos que reducir la presión en 510 mm Hg.



Al nivel de 2,200 sólo en 336 mm Hg.



La Presión Absoluta es la misma pero las lecturas de “Vacío” no lo son.

(2,200 m)

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¿Presión absoluta o diferencial? 

(2,200 m)



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Aparentemente, el trabajo para reducir la presión al nivel del mar es mayor al necesario a 2,200 m ya que a 2,200 m existe un vacío de 174 mm Hg.

Lo anterior es cierto, pero la relación no es lineal! 13

Conversión del nivel de vacío a diferentes altitudes 

Se calcula como una relación de compresión:

Ps0 / Pd0 = Ps1 / Pd1 ¿ A 2,200 m.s.n.m. a cuantas “Hg equivalen 20”Hg de vacío al nivel de mar? (29.92 - 20) / 29.92 = (22.7 - Vacío) / 22.7 Vacío a 2,200 m = 15.2”Hg equivalente a 20”Hg n/m

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(factor de 0.7587) 14

Conversión del nivel de vacío a diferentes altitudes Condiciones 0 = Nivel de Mar Condiciones 1 = Altitud

Ps1 = (Ps0 x Pd1) / Pd0 D.F.

22.70 – 15.17

29.92 - 20

22.70

29.92

Orizaba

25.80 – 17.24

29.92 - 20

25.80

29.92

Bajío

24.10 – 16.11

29.92 - 20

24.10

29.92

Ramos

25.00 – 16.71

29.92 - 20

25.00

29.92

Morelia

23.60 – 17.77

29.92 - 20

23.60

29.92

San Rafael

21.20 – 14.17

29.92 - 20

21.20

29.92

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Efecto mecánico



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La hoja o fieltro reduce su volumen al exprimirse en su paso por la zona de succión en donde se aplica la diferencial de presión. 16

Efecto termodinámico 



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El medio ya no contiene suficiente cantidad de agua libre y el exprimido por diferencial de presión ya no es suficiente, un NIP lo compensa. El aire arrastra al agua exprimida y se satura con vapor de agua robando humedad al medio. 17

Efecto mecánico vs. Efecto termodinámico 

¿Cuál efecto tiene mayor peso en la reducción de la humedad del medio? Ambos efectos suceden al mismo tiempo. El efecto mecánico tiene mayor contribución en la Sección Húmeda de la máquina de papel. El efecto termodinámico tiene mayor contribución en la Sección Seca de la máquina de papel.

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Efecto mecánico - parámetros 

Permeabilidad al paso del aire de la hoja en formación y de la vestidura.



Tiempo de residencia en la zona de vacío.



Diferencial de presión entre la atmósfera y la zona de vacío.



Fugas en sellos cubiertas y reglas.



Aire bombeado por la vestidura y/o rodillo.



Temperatura del aire y del medio.

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Permeabilidad 

Facilidad que presenta el medio al paso del aire. En el caso de la hoja de papel se ve afectada por: 

Tipo de fibra celulósica. – Densidad. – Clasificación de fibras. – Contenido de finos, cargas y/o productos químicos. – Nivel de refinación de las fibras.



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Temperatura del medio. 20

Permeabilidad 

Facilidad que presenta el medio al paso del aire. En el caso de una vestidura se ve afectada por: 

Tipo de material. – Peso base – Trama – No. de capas



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Temperatura del medio. 21

Tiempo de residencia 

Tiempo de respuesta que requiere el agua para migrar ante el cambio de volumen del medio. Se ve afectada por: Velocidad de la máquina de papel. • Area y geometría de la zona de exposición a la diferencial de presión. En Cajas de Acondicionamiento de Fieltros se recomienda: Tisú - de 1.2 a 1.7 milisegundos Planos - de 2 a 4 milisegundos

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22

Tiempo de residencia 



¿Es aditivo el tiempo de residencia? No, porqué? Una vez que el medio se expande, se pierde el efecto y hay que comenzar de nuevo.

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Tiempo de residencia

Mismo tiempo de Residencia a todo lo ancho del fieltro !!

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Tiempo de residencia

Diferente tiempo de Residencia a lo ancho del fieltro produciendo diferencia en el acondicionamiento y franjeado!!

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Tiempo de residencia 

El tiempo de residencia total (dwell) se calcula cómo:

TR = TSW x 5 / PMS TSW = TR x PMS / 5 TR = Tiempo de residencia al vacío (seg) TSW = Ancho Total de ranura (plg) PMS = Velocidad de máquina (ft/min)

Tisú: TSW = 0.00125 a 0.0020 x 6,000 / 5 = 1.5 a 2.4 in Planos: TSW = 0.00200 a 0.0040 x 2,500 / 5 = 1.0 a 2.0 in

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Diferencial de presión 







La fuerza creada por la diferencial de presión es mayor a la de la arquitectura del medio. El medio se colapsa al entrar a la zona de vacío expulsando el agua libre. El paso del aire arrastra al agua libre consigo y se satura con vapor de agua. El medio se recupera al salir de la zona de vacío. Se ve afectada por: •

•

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La relación de compresión del equipo de succión. Densidad del medio (hoja, fieltro, etc.) 27

Fugas 

Es deseable que el aire, que desplaza el equipo de succión, provenga en su totalidad del paso a través de la hoja y/o vestidura.



Pueden existir fugas difíciles de observar:

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

Cubiertas desgastadas.



Regaderas de lubricación tapadas.



Sellos en mal estado o desalineados.



Cajas desalineadas.



Bridas o juntas en mal estado.



Tuberías corroídas. 28

Aire de bombeo 

 

Este es un fenómeno al cual se le da poca importancia y realmente tiene un impacto importante. Se trata de una fuga inevitable. Se refiere al aire que viene dentro de:  La vestidura.  La hoja de papel.  Las perforaciones de la carcaza y recubrimiento de los rodillos de succión.

El sistema de vacío tiene que extraer esta cantidad de aire también. RPISC

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Aire de bombeo Aire Atmosférico Aire ocluido Aire de Fugas Aire de Bombeo Aire Total succionado RPISC

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Aire de bombeo (ejemplo) 

Rodillo de Succión : 

42” de diámetro x 220” de cara, velocidad de 6,000 ft/m, área abierta de 35%, espesor de carcaza y recubrimiento 1.75”

Aire de Bombeo = Cara (ft) x velocidad (ft/min) x ancho de carcaza (ft) + recubrimiento (ft) x % área abierta Aire de Bombeo = [220” / (12”/ft)] x [6,000 ft/min] x [1.75” / (12”/ft)] x [0.35]

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! Aire de Bombeo = 5,614 aCFM ¡ 31

Efecto termodinámico parámetros 

Altitud sobre el nivel del mar.



Presión absoluta.



Capacidad de saturación del aire con vapor de agua.

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Problemas termodinámicos 

¿Dónde buscarlos? – Suministro de agua de sello a bombas de vacío – Sistema de enfriamiento y recirculación de agua de sello – Válvulas manuales y de control – Succiones o bombas combinadas

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Temperatura 

El impacto de la temperatura está directamente relacionado a la viscosidad del agua líquida. –A mayor temperatura menor viscosidad del agua. –A menor viscosidad mayor facilidad para que el agua fluya fuera del medio.

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Altitud - Presión absoluta Capacidad de saturación 

Todo se resume a la relación Presión vs. Temperatura y su impacto en la capacidad del aire de saturarse con vapor de agua.



La temperatura del aire externo tiene poca influencia, la temperatura que domina siempre es la del agua, dada su muy superior capacidad calorífica.



Para motivos prácticos se supone siempre una expansión isotérmica.

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Capacidad de saturación 

A mayor temperatura el aire podrá saturarse con mayor cantidad de vapor de agua.



A mayor altitud el aire podrá saturarse con mayor cantidad de vapor de agua.



A menor presión absoluta de operación (mayor vacío) el aire podrá saturarse con mayor cantidad de vapor de agua.

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¿Condiciones ideales? 

De acuerdo a lo anterior sería altamente deseable operar a : – La menor presión absoluta posible. (mayor vacío) – La mayor temperatura posible.

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¿Es lo anterior cierto?

¡No!

¿Por qué? 

 

Elevar la temperatura no es siempre económicamente posible. Bajar al presión puede resultar sumamente costoso. Subir la temperatura y elevar la diferencial de presión :

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– Se podría marcar o destruir la hoja de papel en formación. – Se aumentaría en forma importante la fricción incrementándose la potencia necesaria para mover la máquina de papel. – Se incrementaría el desgaste por fricción de los elementos de succión. 38

Niveles de diferencial de presión adecuados Cómo debe de establecerse el nivel de diferencial de presión a ser aplicado sobre una hoja de papel en formación? En forma paulatina e incrementarse gentilmente en forma proporcional al contenido de humedad de la hoja.

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Niveles de diferencial de presión adecuados 



No existen reglas claras y definidas para recomendar el nivel de vacío adecuado o su escalonamiento a lo largo de la máquina de papel. Existen demasiadas variantes : – – – –

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Tipo de fibras Velocidad de máquina Temperatura y pH Tipo de papel

– Tipo de máquina – Gramaje – Contenido de cargas – Tipo de elementos

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Niveles de diferencial de presión adecuados 





Históricamente TAPPI y NASH se reunían para dictaminar sobre los niveles de vacío más adecuados. Debido a: – al aumento en el tipo de fibras vírgenes y secundarias – a las variantes en formulaciones – a las diferentes configuraciones de máquinas de papel actuales Estos valores recomendados se han convertido en “sugeridos” únicamente.

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Niveles de diferencial de presión sugeridos (nivel del mar)     

Foils de Vacío Cajas Planas Cilindros de Succión Prensas de Succión Acondicionadores de fieltros



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0.5 a 3 ”Hg 4 a 18 “Hg 20 a 22 “Hg 13 a 22 “Hg 10 a 20 “Hg

Consultar antes de tomar una decisión!

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Puntos de Succión en Mesa Couch de Bajo Vacío 20 a 30 grd 1 a 2 ft3/min / in2 actuales

VacuFoils 200 a 400 ft3/min / in actuales

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Cajas Planas Húmedas

Cajas Planas Secas

10 a 20 ft3/min / in actuales

20 a 40 ft3/min / in actuales

Couch de Alto Vacío 10 a 20 grd 4 a 8 ft3/min / in2 actuales

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Puntos de Succión en Fourdrinier Prensa de Succión Simple 30 a 45 grd 5 a 6 ft3/min / in2 actuales 4,000 @ 10,000 ft/min

Cajas Acondicionadoras 2.0 – 4.0 ms c/u 7-18 “Hg 15 a 24 ft3/min / in2 actuales 4,000 @ 8,000 ft/min

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Puntos de Succión en Fourdrinier Prensa de Succión Combinada Alto Vacío: 15 a 30 grd 5 a 6 ft3/min / in2 actuales 4,000 @ 8,000 ft/min

Bajo Vacío: 45 a 90 grd 0.5 a 1 ft3/min / in2 actuales 2,000 @ 6,000 ft/min Cajas Acondicionadoras 2.0 – 4.0 ms c/u 7-18 “Hg 15 a 24 ft3/min / in2 actuales 4,000 @ 8,000 ft/min

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Puntos de Succión en Fourdrinier Acondicionadores Superiores Acondicionadores Inferiores

Pre Separador de Piso Vertical con Bomba de Bajo NPSH

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Prensa Bajo Vacío Prensa Alto Vacío

Pre Separador Tangencial con Pierna Barométrica Recta con Altura Libre Suficiente

Pre Separador de Techo o Piso Horizontal con Bomba de Bajo NPSH

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Puntos de Succión en C/F Cajas Acondicionadoras 1.5 – 2.0 ms c/u 7-15 “Hg 15 a 24 ft3/min / in2 actuales 3,000 @ 7,000 ft/min

Caja Invertida 1 – 2 ms 7-10 “Hg 12 a 18 ft3/min / in2 actuales 3,000 @ 7,000 ft/min

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Prensa de Succión 80 – 140 grd + 1 “Hg (Acondicionador) 0.5 a 4 ft3/min / in2 actuales 3,000 @ 7,000 ft/min 47

Puntos de Succión en C/F Acondicionadores Caja Invertida

Pre Separador de Piso con Bomba de Bajo NPSH

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Prensa

Pre Separador de Techo con Bomba de Bajo NPSH

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Agua de sello de bombas de vacío de anillo líquido 

El agua de sello a las bombas de vacío se calienta por los efectos de: – La potencia transmitida por el motor – La condensación del vapor de agua que satura al aire succionado (cuando esta ocurre) Delta-T (°F) =[(43.5 x bHp) + (1,045 x lb/minVH2Ocond)] / (8.35 x gpmSELLO)

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Problemas con el diseño de tuberías

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

El agua extraída, y aún no separada, debe de fluir siempre por gravedad hacia la fuente de vacío o separador.



No se permiten los arreglos mostrados 50

Problemas con el diseño de tuberías

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Diámetro correcto de tuberías 

Caso # 1

Flujo de aire saturado 5,000 a 5,500 ft/min



Caso # 2

Flujo a dos fases (aire-agua) 3,000 a 3,500 ft/min



Caso # 3

Separadores aire-agua < 500 ft/min

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Problemas con el diseño de tuberías Velocidad de MP Ancho de Fieltro

1,750 m/min 5,500 mm

Tiempo de residencia mín. Tiempo de residencia máx.

1.31 ms 1.74 ms

Ancho total de ranura mín. Ancho total de ranura máx.

38.21 mm 50.75 mm

Cantidad de Ranuras Ancho de Cada Ranura mín. Ancho de Cada Ranura máx. Factor de Vacío en Caja Factor de Vacío en Bomba

5,742 ft/min 216.54 in 0.00131 s 0.00174 s 1.50 in 2.00 in

2 19.11 mm 25.38 mm

0.75 in 1.00 in

18.0 aCFM/in2 20.0 aCFM/in2

Seleccion de Bomba de Vacio

Dimensiones de Tuberia y Caja

Demanda de Vacio min. en Caja Demanda de Vacio max. en Caja

5,863 aCFM 7,788 aCFM

Dos Fases Dos Fases

17.5 in 20.2 in

Una Fase Una Fase

14.0 in 16.1 in

Demanda de Vacio min. en Bomba Demanda de Vacio max. en Bomba

6,515 aCFM 8,653 aCFM

Dos Fases Dos Fases

18.5 in 21.3 in

Una Fase Una Fase

14.7 in 17.0 in

Flujo de Agua a ser Extraido por caja

820 lt/min

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217 gpm

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Eficiencia Específica  

Impactos de la eficiencia volumétrica en la eficiencia específica La eficiencia específica se refiere a la capacidad real actual de desplazamiento del sistema en el punto de succión por unidad de potencia consumida.

EE = aCFM / bHp 

Ejemplo : Una Bomba de 4,000 CFM nominales con un consumo nominal de 155 bHp. Cálculo erróneo : EE = 4,000 / 155 = 25.8 aCFM/bHp

Capacidad de desplazamiento real dadas las condiciones termodinámicas de la aplicación : 4,725 aCFM y 148 bHp Cálculo correcto : EE = 4,725 / 148 = 31.9 aCFM/bHp

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Factores que Impactan la Eficiencia Específica y el Consumo de Energía y cómo Contrarestarlos Velocidad de la Bomba de Vacío: A mayor velocidad periférica, menor Eficiencia Específica. Seleccionar una Bomba de Vacío a la menor velocidad posible que justifique su incremento en Tamaño. Arrastre de Agua o Exceso de Agua de Sello: A mayor Flujo, menor Eficiencia Específica. Utilizar Pre-Separadores correctamente dimensionados y con la geometría interna adecuada, a la succión de cada equipo de vacío.

Temperatura del Gas Saturado Succionado: A mayor Temperatura, mayor Eficiencia Específica. La temperatura de los gases succionados es inherente al proceso y no es una variable manejable. Temperatura del Agua de Sello: A mayor Temperatura, menor Eficiencia Específica. Utilizar agua de sello a la menor temperatura posible y de la mejor calidad disponible, utilizar circuitos recirculados con filtros finos y torres de enfriamiento abiertas. Pérdida de Tolerancias Internas o Desgaste: A mayor Desgaste, menor Eficiencia Específica. Realizar pruebas de capacidad en campo, mantener el equipo desincrustado, utilizar agua de calidad y filtrada. RPISC

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Ejemplo de Bomba nash_elmo 904-P1 & 904-P2

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Bomba nash_elmo 904-P1: Capacidad vs. Vacío

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Bomba nash_elmo 904-P1: Eficiencia Específica vs. Vacío

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Bomba nash_elmo 904-P2: Capacidad vs. Vacío

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Bomba nash_elmo 904-P2: Eficiencia Específica vs. Vacío

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Bomba nash_elmo 904-P1 & P2 904-P1 & P2

CFM / bHp) (actual CFM) Energy(actual Specific Capacity

15,000 70.00

13,000 60.00

11,000 50.00

9,000 40.00

7,000 30.00

5,000 20.00

3,000 10.00 0.0 0.0

5.0 5.0

10.0 10.0

15.0 15.0

20.0 20.0

25.0

30.0

Vacuum sea sea level level(in (inHg) Hg) Vacuum

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Efecto de la Temperatura del Agua de Sello en la Capacidad de Bomba nash_elmo 904-P2 Efecto de la Temperatura del Agua de Sello en una Bomba 904P2 @ 400 rpm Succionando Aire Saturado @ 100 oF 10,000 9,000

8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

Vacío (in Hg)

60oF

RPISC

80oF

100oF

120oF

140oF

Nominal

62

Efecto de la Temperatura del Agua de Sello en la Eficiencia Específica de Bomba nash_elmo 904-P2

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Efecto Termodinámico sobre el Volumen Desplazado

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Efecto Termodinámico de la Temperatura del Agua de Sello en el Volumen Desplazado Agua de Sello a 60 oF

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Efecto Termodinámico de la Temperatura del Agua de Sello en el Volumen Desplazado Agua de Sello a 80 oF

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Efecto Termodinámico de la Temperatura del Agua de Sello en el Volumen Desplazado Agua de Sello a 100 oF

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67

Efecto Termodinámico de la Temperatura del Agua de Sello en el Volumen Desplazado Agua de Sello a 120 oF

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Efecto Termodinámico de la Temperatura del Agua de Sello en el Volumen Desplazado Agua de Sello a 140 oF

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Efecto del Desgaste Interno en la Capacidad y en el Vacío

Efecto del Desgaste Interno de la Bomba

9,000

8,000

7,000

Desplazamiento (aCFM)

6,000

5,000

4,000

3,000

2,000

1,000

0 0

5

10

15

20

25

30

Vacio (in Hg)

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Efecto del Desgaste Interno en la Curva del Proceso

Efecto del Desgaste Interno de la Bomba

9,000

8,000

7,000

Desplazamiento (aCFM)

6,000

5,000

4,000

3,000

2,000

1,000

0 0

5

10

15

20

25

30

Vacio (in Hg)

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Impacto de una caída de presión 

Bomba de vacío de 4,000 aCFM operando a 16”Hg a 2,200 m.s.n.m. Válvula 50% cerrada con una caída de presión de 5”Hg. P0 x V0 = P1 x V1 (Isotérmico) (22.7 - 16) x 4,000 = (22.7 - 16 + 5) x V1 V1 = 2,291 aCFM

! 43 % de pérdida de capacidad ¡ RPISC

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Caídas de presión permitidas 

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Grosso Modo podemos generalizar que las caídas de presión en líneas de vacío no deben de exceder los siguientes valores de diseño: CP = 0.10 “Hg

0.0 “HgNM < Vacío